清华大学莫欣农教授:工业4.0时代制造服务模式的创新

  点击数:782  发布时间:2016-02-19 10:16

活动链接:2016年控制网专题——工业4.0撬动工业服务新发展

来源:e-works     

2014年11月27日,在e-works数字化企业网举办的“第十届中国制造业产品创新数字化国际峰会”上,清华大学莫欣农教授发表了题为《工业4.0时代制造服务模式的创新》的演讲,本文根据其演讲内容整理而成。

图1 清华大学莫欣农教授

图1 清华大学莫欣农教授

蒸汽机的发明将工业带入了机械化时代,电子和电力技术的发明将工业带入了电气化时代,IT技术的发明将工业带入了自动化时代,那么如今互联网技术的发明将 会将工业带向什么方向呢?这是我近几年一直在研究思考的问题。在互联网时代,产品生命的中期——即将产品交付给用户使用阶段,是否需要一种计算机管理软件 来支持产品生命中期的数据管理?对此我做了一些探索。今天我的演讲就是围绕在工业4.0,也就是互联网时代,制造业服务模式的创新来展开。

一、德国工业4.0代表智能化时代

计算机发展到现在跟以前有什么变化呢?六十年代的时候,很多人使用一台计算机,到了八十年代每个人一台计算机,到了现在一个人可能拥有多台计算机,这种量 的变化带来了质的变化,未来每一款产品或机器中,都会包含很多智能设备,这些智能设备联网之后,这形成了我们所处的互联网时代。

图2 计算机在人类生活中的应用

图2 计算机在人类生活中的应用

在互联网时代,网络将很多内嵌计算机的物理设备连接在一起,并在虚拟世界中实现信息共享,从而形成了物联系统(CPS),它最大的特点就是能将现实物理信息和虚拟计算机信息融汇在一起。

比如成百上千台风力发电机通过网络互联,将实时运行数据发送到控制中心,如果其中一台发生故障,得知故障代码之后即刻按照预先设定好的维修策略,通知相关 部门对其进行维修。通过风力发电机物联系统可以随时掌握所有网内设备的状态数据。每次维修人员驱车几百公里到现场处理一个故障的同时,捎带处理周边上百台 设备的亚健康事件。这种互联网思维能够大大提高维修服务水平,降低维修成本。

图3 风力发电机的联网物理系统

图3 风力发电机的联网物理系统

每一次工业革命都会淘汰落后的生产方式,带来新生的社会变革,比如工业1.0使我们从农业、手工业转入工业化社会,工业2.0使社会生产出现分工协作,工业3.0出现机器人与自动化生产线,机械逐步代替人类部分劳动,工业4.0则进步到分散化生产、网络化管理、实时化控制,机械逐步代替人类进行部分管理,实现工业智能化。

二、智能服务是制造服务的新模式

以汽车行业为例,其利润来源主要有三部分,设计创新、制造销售和后期维护。其中制造销售所占投资最大,但是利润率却最低,而后期维修服务与设计创新的利润不相上下,这是企业新的利润增长点。

图4 汽车制造业分工比例与利润率分布图

图4 汽车制造业分工比例与利润率分布图

德国工业4.0为制造业服务提出了新的模式——智能服务。工业4.0的内涵是智能工厂和智能制造,其核心是联网物理系统,通过传感网紧密连接现实世界,将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中,从而在生产制造过程中,与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析,形成可自律操作的智能生产系统,制造出智能产品。而智能服务将智能产品与状态感知、大数据处理等技术结合,能改变产品的现有销售和使用的模式,增加网上租用、自动配送和返还、优化保养和维修等新的汽车智能服务模式。

目前联网物理系统将深入社会生活的各个领域,实现智能服务。比如工业领域的智能工厂,根据一组IT配置规则,定义一组工厂结构拓扑,完成一项专门项目;能 源领域的智能电网,根据一组IT配置规则和使用环境参数,完成一组电网结构拓扑;移动通讯领域的智能网络,根据一组IT配置规则和使用环境,组建一组移动 通讯网络结构。

在美国,制造与服务融合的企业占制造业总数比例约为58%,而在中国这一比例仅仅只是2.2%。英国的劳斯莱斯发动机公司是波音、空客等大型飞机制造企业 的供货商,现在以“租用服务时间”的形式出售发动机,而且承担一切保养、维修和服务,其服务收益占公司总收入55%以上。这些数据都是值得中国制造业深思 的。

总结起来,工业4.0时代的维修服务具有以下特点:

制造商掌握产品核心技术,降低维修成本,提高产品完好率;

制造商掌握产品实际性能和用户需求,提高产品创新能力;

通过服务合同降低用户维修成本,提高产品利用率,绑定用户;

制造商掌握产品使用状况,合理生产和配送备件,减少浪费;

制造商掌握产品健康信息,合理报废回收,在再制造中盈利。

还是以汽车行业为例,传统被动的4S店服务模式中,车主自己将车开进4S店,效率不高,维修不合理,服务店的客户也不稳定,资源不能共享、缺乏整个市场的 宏观信息。在工业4.0智能服务模式中将变为主动服务,能实时掌握每辆汽车的部分或全部运行状态,合理制定维修计划;通过服务合同绑定用户,避免维修业务 流失;资源共享,改善服务质量、降低维修成本、提高完好率;通过数据分析和挖掘,提高创新能力;开展自动驾驶汽车的租赁服务。能实现这些智能服务的前提条 件是运维服务信息化系统,每辆汽车增设状态信息发送装置,智能服务店联网,制造商统一指导各项维修的标准和价格,保证用户、服务店和制造商共赢。

三、智能服务信息化系统的关键技术

各种智能产品通过互联网相互连在一起形成工业互联网。工业互联网中,采集加工设备的健康情况、加工精度和难点、环境变化、质量检测等数据,不断自动调整设 备,周而复始,最终使设备、产品一直保持在高品质的状态。采集运行设备性能数据、预测故障、优化维修计划,保证设备一直处于良好的使用状态,提高利用率, 降低维修成本和提供改进的方向。由此可见,成百上千万的传感器时时刻刻提供大量的数据,通过互联网传到工业大数据管理中心,经过分析处理,实现一场新的工 业革命——“制造”和“服务”融为一体。而处理工业大数据则需要“制造+服务”的信息化平台。

“制造+服务”信息化平台的基本要求有以下几点:

管理设计和制造阶段的数据和过程:传统的PDM管理设计阶段;传统的MPM和MES管理制造阶段。

管理使用和维修阶段的数据和过程:传统的EAM管理使用阶段;传统的MRO管理维修阶段。

跨阶段提供有关使用和维修的最新知识:根据设计技术指标,正确指导维修政策;根据设计和制造图纸与工艺,正确完成维修任务。

跨阶段反馈使用和维修阶段的经验,优化设计和制造:统计和分析不同环境、地域的使用性能,发掘差距和潜力;统计和分析各类故障,发掘不断完善和提高的措施;收集使用和维修中的新需求,开发新功能、新产品;提供其它领域的知识。

真正的产品全生命周期管理(PLM)平台。

实现“制造+服务”信息化平台也有诸多难点。比如多种设备和不同传感器传递数据的协议各不相同,保密要求相差很大;成百上千万个运行参数按照不同频率发 送,瞬时密度达到10万条记录/每秒,甚至更高;成千上万台设备持续几年到几十年的使用和维修数据非常庞大,现行关系型数据库无法承受;高价值知识的数量 极少,且隐藏在大量的低价值数据中;除了自动发送以外,还有不可避免的人工在外场采集的数据;相同型号不同批次产品的性能、维修标准会有差异。同一个设备 在长期使用和维修中,性能和维修标准也会发生变化;为了提高管理水平,必须加强维修服务过程的监督和考核,要克服人工执行过程管理的难题;大数据涉及到众 多专业知识,需要集成各种专业分析工具,实现有效的挖掘;数据反馈过程的控制和权限管理……

为了解决这些难题,“制造+服务”信息化平台需要具备一些核心技术。第一就是以中性BOM为核心的维修知识管理框 架。产品设计制造阶段有功能BOM、设计BOM和制造BOM,产品使用维护阶段有实例BOM。为了搭建连接设计制造知识与服务保障知识的桥梁,引入了中性 BOM,可以将设计制造阶段的功能说明、维修标准、维修工艺等正向传递到维护阶段,也可以将维护阶段的故障描述、使用需求逆向反馈到产品设计制造。

图5 中性BOM为核心的维修知识管理框架

图5 中性BOM为核心的维修知识管理框架

第二是用自由表代替关系型数据库,采用自由表的格式可以大大减少数据量。

图6 以装备标识为行键的单列族工况数据自由表存储逻辑模型 

图6 以装备标识为行键的单列族工况数据自由表存储逻辑模型

第三是“制造”+“服务”信息化平台框架,包含数据分析挖掘系统、状态监控系统和运维服务系统三部分。基于状态监测的维修策略、数据挖掘发现故障征兆模式和状态匹配的维修计划优化,保证了产品维修过程监控、产品维修资源调度和产品维修质量评价与反馈。

图7 “制造”+“服务”信息化平台框架

图7 “制造”+“服务”信息化平台框架

四、典型应用

新型制造服务业务流程中,通过监测设备运行的状态,对其运行状态数据进行收集分析,从而决策运维服务计划的执行。这种流程下体现出的几个特点是状态信息透明化、状态监测集中化、服务内容综合化、状态分析智能化、运维知识集成化等。

图8 新型维修服务业务流程

图8 新型维修服务业务流程

在三一集团建立了一个全球客户门户进行主动服务,通过这个门户管理分布在全国的几十万台机械,每一台机械上装有GPS和工况数据采集设备,将数据实时传回到中央控制室。如果某一台机器出现故障,就可以在地图上定位这台机械所处位置,并找到附近服务车对其进行维修。这套信息系统能保证用户放心使用机械,也大大降低了三一集团的维修成本。

图9 三一集团全球客户门户—主动服务网站 

图9 三一集团全球客户门户—主动服务网站

本文根据清华大学莫欣农教授在“第十届中国制造业产品创新数字化国际峰会”上的发言整理而成,已经本人确认。




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